造型材料与工艺20

1、第十一章 模型材料性能与工艺 第十一章模型材料性能与工艺 产品模型与模型材料概述 快速成型技术 石膏材料的性能及模型制作方法 塑料和橡胶材料的性能及模型制作方法 黏土、油泥模型材料塑造技法 纸材模型 产品模型与模型材料概述 产品模型的特点及分类 通过产品模型制作进一步调整修改设计方案，检验设计方案的 合理性，为制作产品样机和投入试生产提供充分依据。 计算机模型 快速成型技术 1. 产品模型的作用与特点 直观性 完整性 理性与感性的结合 产品模型与模型材料概述 2. 产品模型的表现范围及分类 大型工业产品模型 中型工业产品模型 小型轻工产品（日用产品）模型 产品模型的特点及分类 产品模型与模型材

2、料概述 产品模型的表现型式 （1）产品参考模型 设计构思初期草模 a意象模型 b简略粗模 c概念模型 （2）结构功能模型 用来研究产品造型与结构关系 （3）产品样机模型 又称仿真（试验）模型 运动型头盔的粗模 石膏手柄概 念模型 用发泡塑料制 作的样机模型 产品模型与模型材料概述 模型用材的选择与使用 1. 选材的几条基本原则 物理性能好 加工成型性好 色彩 表面工艺性好 2. 不同用途的模型选材 a 用于参考模型的材料 黏土、油泥、石膏、泡沫塑料 b 用于做结构功能模型的材料 聚氯乙烯树脂塑料型材 也可采用木 材、黏土、油泥、石膏、硬质泡沫塑料、工程塑料、金属材料等。 c 用于做样机模型的材

3、料 尽可能根据实际样品设计的要求，选择 真实材料，包括其他辅助配件。 快速成型技术 概述 快速成形技术（rapid prototyping，简称rp）又称快速原型制造技 术，是近年来发展起来的一种先进制造技术。 快速成型机床及快速成型件 快速成型机床及快速成型件 快速成型技术 快速成型技术 快速成形技术原理及工艺 将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层 截面的轮廓，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有 选择性地切割一层又一层的片状材料（或固化一层层的 液态光敏树脂，烧结一层层的粉末材料，或喷射一层层 的热熔材料或粘合剂等方法）形成一系列具有一个微小 厚度的片状实体，再采用粘接、聚合、熔结

4、、焊接或化 学反应等手段使其逐层堆积成一体制造出所设计的三维 模型或样件。 快速成形技术原理 a） b） 传统加工与快速成型比较 模具模具 设计 铸造焊接锻压 毛坯 （大于工件） 半成品 半成品 工件 去除加工去除加工 设计 模具 样品 快速成形快速成形 快速成型技术 创意创意 测测 量量 计计 算算 机机 辅助设计辅助设计 计计 算算 机工机工 艺设计艺设计 计计 算算 机辅机辅 助制造助制造 数控加工数控加工 构思构思 草图草图 快速快速 原型原型 图形文档图形文档 数控代码数控代码 工艺文档工艺文档 产产 品品 三维cad模型 分层切片 各层截面的轮廓 激光器（或喷嘴）按各层截 面轮廓切

5、割、固化或烧结 微小厚度的片状实体 逐层堆积 三维模型或样件 rp技术的基本原理图 快速成型技术 快速成形技术原理及工艺 快速成形技术原理 快速成型过程 喷粘结剂喷热熔材料 三维产品（样品/模具） 表面处理 构造三维模型 模型近似处理 切片处理 激光喷射源 固化树脂切割箔材烧结粉末 快速成型技术 1.材料累加法 （material increase manufacturing） 2.材料去除法:三维雕刻机 （material increase manufacturing） 成型工艺 加工能量 （1）laser beam(激光束)rp （2）lamp(光照)rp （3）heat energy(热

6、能)rp （4）mechanical energy(机械能)rp 快速成型技术 快速成形方式分类 1.不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，可将任意复任意复 杂形状杂形状的设计方案快速转换转换为三维的实体模型或样件实体模型或样件 2.模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验 证、工程分析、市场订货以及企业的决策等，非常有利于 早找错早修改早优化，提高提高了新产品开发的一次成功率成功率， 缩短缩短了开发周期开发周期，降低降低了研发成本研发成本。 3.快速快速、准确准确、以及制造复杂模型。制造复杂模型。 4. 结合cad/cam 技术技术、激光技术激光技术、计算机数控技计算机数控技

7、术术、精密伺服驱动技术精密伺服驱动技术以及新材料技术新材料技术。 快速成型技术 快速成型技术的特点 快速成型技术 快速成型的作用 1.不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，可将任意复杂形状任意复杂形状 的设计方案快速转换转换为三维的实体模型或样件。实体模型或样件。 2.模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工 程分析、市场订货以及企业的决策等，非常有利于早找错早修改 早优化，提高提高了新产品开发的一次成功率成功率，缩短缩短了开发周期开发周期， 降低降低了研发成本研发成本。提高提高了产品在市场上的竞争力竞争力和企业对市 场的快速反应能力快速反应能力 3.为技术人员之间，以及技

8、术人员与企业决策者、产品的用户等非技 术人员之间提供了一个更加形象、完整、方便的工程交流工具。 4.支持同步（并行）工程的实施 5.支持技术创新、改进产品外观设计。 6.用 rp 技术制做模具 7.逆向工程（反求） 激光束rp可分为： 1. 立体光刻(sla: stereolithography)、 2. 选择激光沉积(sls: selective laser sintering) 3. 分层制造(lom: laminated object manufacturing) 4. 形状沉积制造(sdm: shape deposition manufacturing) 机械能rpm又可分为 1. 冲

9、击颗粒制造(bpm: ballistic particle manufacturing) 2. 三维打印(3d printing) 3. 熔化沉积造型(fdm: fused deposition modelling) lom又叫固体分层制造(ssm: solid slicing manufacturing) fdm又叫熔化挤出造型(mem: melted extrusion modelling) 快速成型技术 快速原型制造种类 1.光固化立体造型 (sl-stereolithography) 2.分层物件制造 (lomlaminated object manufacturing) 3.选择性激

10、光烧结 (slsselected laser sintering) 4.熔融沉积造型 (fdmfused deposition modeling) 快速成型技术 主要种类 快速成型技术 立体光固化sla（stereo lithography apparatus） sla是基于液态光敏树脂光固化原理工作的。液槽中盛满液态光敏树 脂，紫外波长的激光束在偏转镜作用下于液面上按截面轮廓信息扫描， 光点经过的地方，受辐射的液体就固化，这样一次平面扫描便加工出一 个与分层平面图形相对应的层面，并与前一层已固化部分牢固地粘结起 来。如此反复直到整个产品完成。 这种方法适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面质

11、量较好，并且 由于紫外激光波长短（例如hecd激光器，波长325nm），可以得到 很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。缺点是： （1） 需要设计支撑结构，才能确保在成形过程中制件的每一个结构部 分都能可靠定位； （2） 成形中有物相变化，翘曲变形较大，可以通过支撑结构加以改善； （3） 原材料有污染，易使皮肤过敏。 sla 快速成型技术 sla装置示意图 快速成型技术 分层实体制造lom（laminated object manufacturing） 也称薄形材料选择性切割。它根据三维模型每一个截面的 轮廓线，在计算机的控制下，用co2激光束对薄形材料（如底 面涂胶的纸）进行切割，逐步得到

12、各层截面，并粘结在一起， 形成三维产品。 扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工，也可采 用振镜扫描方式。这种方法适合成形大、中型零件，翘曲变 形小，成形时间短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除 废料困难。 工作台复位 加热工作台 工作台复位 铺纸、切工件外框 沿外框内部贴双面胶 做无网格基底 开始正常切割 铺纸、切工件外框 铺纸 热压辊动作：加热、加压 激光头切割相应层的外框 铺纸 lom的动作流程 快速成型技术 lom 快速成型技术 快速成型技术 选择性激光烧结sls（selected laser sintering） sls与sla工艺在材料、激光器和材料进给方式上有较大差别。成

13、形时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下， 按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烧结。一 层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此 循环，最终形成三维产品。 这种方法适合成形中、小型零件，能直接制造 蜡模或塑料、陶瓷和金属产品，制件的翘曲变 形比sla工艺小。这种工艺要对实心部分进行 填充式扫描烧结，因此成形时间较长。可烧结 覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成形件后，将 制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在 孔隙中渗入填充物（如铜）。它的最大优点在 于适用材料广，几乎所有的粉末都可以适用， 所以其应用范围也最广。 快速成型技术 sls与sla工艺

14、区别 slssla 材料蜡粉、ps粉、abs粉、尼龙粉、覆膜 陶瓷和金属粉等 光敏树脂 激光器co2激光器（功率几十w或更多）紫外波长激光束（功率几 十1000mw） 固化方法有选择烧结有选择固化 进给方式一层烧结完，供料活塞顶出一部分 材料，布料辊将这些粉末材料推到 成形表面上并铺平，再烧结第二层 一层固化完毕，工作台下降 一层厚度，液体重新浸铺上 来，激光再扫描下一层 支撑不需要支撑需要支撑 快速成型技术 熔化沉积成形fdm（fused deposition modeling） fdm也称丝状材料选择性熔覆。三维喷头在计算机控制下， 根据截面轮廓的信息，做x-y运动。丝材（如塑料丝）由供丝

15、机 构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工 作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一 层厚度，再进行后一层的覆涂，如此循环，形成三维产品。 这种方法适合成形小塑料件，制件的翘曲变形小，但需要设 计支撑结构。由于是填充式扫描，因此成形时间较长，为了克服 这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成形效率。 fdm 快速成型技术 三维打印3d-p（threedimensional printing） 三维打印也称粉末材料选择性粘结。喷头在计算机的控制下，按 照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘 结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，

16、工作台下降一 个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三 维产品。粘结得到的制件要置于加热炉中，做进一步的固化或烧结， 以提高粘结强度。 快速成型技术 形状沉积制造sdm（shape deposition manufacturing） sdm是去除加工与分层堆积制造相结合的一种新型快速成形工艺，因而结 合了两种零件成形的优点，既可制造金属零件，具有较高的成形精度（由切削 加工保证），又基本突破了零件复杂程度的限制，而且与其他快速成形工艺过 程一样，由cad模型直接驱动，无需编程。其层层加工的原理是：喷头喷出的 熔化材料沉积到成形表面上冷却凝固，点点堆积获得层面，然后利用五轴数控

17、 加工设备精确地加工新获得的层面（包括轮廓形状和层面厚度）并进行喷丸去 应力处理，使其具有较高的精度和较小的内应力，成形材料包括金属和各种塑 料。 除此之外近几年还出现了，热塑性材料选择性喷洒、变长线扫描sls rpt、 高功率激光二极管线阵能量源sls rpt。 快速成型技术 成形 系统 成形材料制件性能主要用途扫描路径 sl 液态光敏 树脂 相 当 于 工 程 塑 料 或 蜡模 高精度塑料件、 铸造用蜡模、样 件或模型 截 面 轮 廓 线 所 包 围 的区域 lom 涂敷有热 敏胶的纤 维纸 相 当 于 高 级木材 快速制造新产 品样件、模型 或铸造用木模 截 面 轮 廓 线 sls 工程

18、塑料 粉末 相当于工程 塑料、蜡模、 砂型 塑料件、铸造 用蜡模、样件 或模型 截 面 轮 廓 线 所 包 围 的区域 fdm 固体丝状 工程塑料 相 当 于 工 程 塑 料 或 蜡模 塑料件、铸造 用蜡模、样件 或模型 截 面 轮 廓 线 所 包 围 的区域 rp系统的成形原理比较 快速成型技术 技 术 类 型 精 度 表 面 质 量 材料 价格 材料利 用率 运行 成本 生 产 效 率 设备 费用 市场占 有率(%) sl好好较贵 接近 100% 较 高 高较贵78 lom 一 般 较 差 较便 宜 较差 较 低 高 较便 宜 7.3 sls 一 般 一 般 较贵 接近 100% 较 高

19、一 般 较贵6.0 fdm 较 差 较 差 较贵 接近 100% 一 般 较 低 较便 宜 6.1 rp工艺优缺点比较 快速成型技术 快速成形材料 快速成型技术 按材料物理状态分类：液体材料、薄片材料、粉末材料、丝 状材料等；按化学性能分类：树脂类材料、石蜡材料、金属材料、 陶瓷材料及复合材料等；按材料成形方法分类：sla材料、lom材 料、sls材料、fdm材料等。 快速成形工艺对材料的总体要求是： （1）有利于快速精确地加工原型零件； （2）当原型直接用作制件、模具时，原型的力学性能和物 理化学性能（强度、刚度、热稳定性、导热和导电性、加工性 等）要满足使用要求； （3）当原型间接使用时，

20、其性能要有利于后续处理工艺。 石膏材料的性能及模型制作方法 石膏材料的性能 （1）石膏 （2）模型用石膏 （3）石膏与水的配比关系 石膏与水的配比，一般为1.2：1或1.35：1 注浆用模石膏粉：水100：7080； 压坯用模石膏粉：水100：6070； 石膏母模石膏粉：水100：3040。 （4）影响石膏凝固时间的几种因素 与水的比例有关。如果水少凝固的时间短，反之则增长。 与水的温度有关。如果水温高凝固的时间加快，反之时间减慢。 与搅拌有关。搅拌愈多愈急剧，凝固越快，反之凝固越慢。 与添加的材料有关。加入少量的食盐，使凝固速度加快；如加入一 些胶液则能减慢凝固时间。 石膏粉 石膏材料的性能

21、及模型制作方法 石膏模型的成型方法 （1）浇注成型法 1 湿法浇注石膏型坯。 2 干法浇注石膏型坯。 3 平板浮雕浇注成型。 （2）塑造加工成型法 （3）模板刮削成型法 （4）刮型箱刮削成型法 （5）旋转刮削成型法 汽车模型石膏芯模 用石膏制作的手机模型 塑料和橡胶材料的性能及模型制作技法 塑料的特点、选材与成型 （1）塑料的特点 （2）塑料模型用材料 a塑料型材 丙烯酸塑料 abs树脂 pvc b发泡塑胶 发泡ps发泡pu abs塑料模型 塑料和橡胶材料的性能及模型制作方法 （3）聚苯乙烯纸板材 （4）塑料模型成型方法 塑料的特点、选材与成型 1拼接成型 2热压成型 abs拼接成型 abs热

22、压成型 塑料和橡胶材料的性能及模型制作方法 橡胶 （1）用途 （2）合成橡胶的种类 黏土、油泥模型材料塑造技法 原料类型 （1）水性材料 （2）油性材料 干后容易龟裂，塑造的模型不易保存 油性材料俗称橡皮泥可分为一般性油泥和工业油泥 1一般性油泥材料。 配比：黏土、干粉、滑石粉等（起填料作用）60%62%； 润滑脂、黄油、凡士林（作柔性黏结剂用）30%32%； 石蜡（作固定性黏结剂用）8%10%。 加工：用一盛装锅将石蜡和凡士林加温，待融化成液体后，再 徐徐倒入干粉搅拌至均匀，即可以使用，如果要塑造较大的模型， 要采用较大的加工设备。油泥材料属油性物质，配制时需特别注 意防火。 黏土、油泥模型材料塑造技法 2工业油泥 成分配比： 蜡9%10%；含油量（动物油）20%25%； 硫黄50%55%；树脂少量； 灰分9%10%；颜料少量。 如果改变上述百分比，油泥的硬度、黏度、刮削性将会发生变化。 温度特性：油泥随温度变化发生膨胀和收缩。 当温度在20度以下时，油泥膨胀系数较大； 当温度在2024度之间，油泥膨胀系数则较为稳定； 当温度在4560度之间及超过